地上観測土壌水分における温度効果 AMSR-2
土壌水分への影響に関する研究
環境社会基盤工学課程
水分気象研究室
氏名 : NGUYEN VAN THAO
指導教員 ：陸 旻皎
1. 研究背景
土壌水分センサーに使用される主な手法は，時間領域反射（TDR）と周波数領域反射（FDR）または静電容量に分類できる．これらのセンサー，特に非 TDR は土壌の特性と温度に影響されていると評価された．ISMN のデータセットらのデータセットのほとんどは，非 TDR のセンサーで測定された．ISMN のデータセットを効果的に使用するには，土壌水分の温度効果の影響を除去する必要である．
AMSR-E/AMSR-2 は，2002 年から現在まで継続的に地球全体の土壌水分データを提供している．
ただし，AMSR は地上からのマイクロ波放射温度の測定を使用するため，温度の影響を受けやすいとも考えられて，データの精度が下がってしまう．現在， JAXA と共に，NASA も AMSR データを提供しているが，違いアルゴリズムを使用した．この 2 つのデータソースの精度を比較および評価するが必要である．
2. 研究目的 温度効果除去アルゴリズムと他の手法を適用して，土壌水分を補正調整する．
 アルゴリズムの結果と比較し，衛星からの測定データの精度を確認する．
 Asc データと Desc データ考察を通して，AMSR データにおける温度効果の影響されることを証明する．
3. 衛星概要
GCOM-W1 衛星の軌道は， 周期が太陽と同期している軌道の太陽同期準回帰である． Ascending
では地球の日照面(昼) を，Descending では地球の日陰面(夜)を観測しており，同じ場所は同じ時刻に観測される．したがって，観測された土壌水分データは，昼間（Asc）と夜間（Desc）に分類できる．
AMSR-2 は，GCOM-W 衛星に搭載される高性能マイクロ波放射計 2 である．地球表面および大気から放射される微弱なマイクロ波帯の電波を多周波・多偏波で測定し，様々な地球物理量を推定するセンサである．
土壌水分観測法では地上からのマイクロ波放射温度を観測して，土壌の誘電率（e）を測定する．
それから，土壌水分（SWC）を推測できる．
3. 地上観測概要
DataWebsite: International Soil Moisture Network
観測地点の位置，季節などは下の図に表す．

表 1: 観測地点の概要
Location

Mongolia

Little RiverLittle Washita

Fallbrook

WalnusGulch

Time2010

2016

2016

2016

2016

Latitude,46.05°

31.67°

34.86°

33.44

31.733longitud106.76°-83.60°-98.08°-117.19-110.05

Cold

Temperate

Temperate

Temperate

Arid

Grasslands

Grasslands

Shrub open

ClimateregimeLand covertype
4.

Grasslands

Cropland,mosaic

データ解析
AMSR-2/AMSR-E DataIn Situ Data

 Data Dowload : NSIDC/G-Portal システム．

 Data Dowload : ISMN HDFWiew/Earth Observation Data Viewer で

 1 時間，または 2 時間データに変更する．
 Python で連続，大雨日のデータを排除する．

読み込む．
 Txt File/Excel-CSV File に出力する．

 Matlab で実行する．α 計算、データ修理．

 緯度経度によるデータを摘出し，集める．

 連続時間に作成し，衛星データと組合せる.

年中の連続時間に作成．
 観測時間計算する．
5. 研究結果
 年間土壌水分-温度の変動

図 1: Mongolia (2010 年) の土壌水分と地上観測土壌水分—温度の変動．
NASA/AMSR-E(上図) と JAXA/AMSR-E(下図)図 2: Little River（2016 年）の土壌水分と地上観測土壌水分—温度の変動．
NASA/AMSR-2(上図) と JAXA/AMSR-2 ( 下図) Asc と Desc のデータ相関

図 3: Mongolia の Asc と Desc のデータ相関a) 地上観測土壌水分 b) 土壌温度 c) NASA 土壌水分 d) JAXA 土壌水分図 4: LittleRiver の Asc と Desc のデータ相関a) 地上観測土壌水分 b) 土壌温度 c) NASA 土壌水分 d) JAXA 土壌水分

図 5: LittleRiver 10.7Ghz 周波の偏光輝度温度相関a) H 偏光輝度温度相関 b) V 偏光輝度温度相関以上の 2 地点果と他の 3 観測地点のデータを分析し、結果は下の表でまとめる．
表 2: Asc と Desc のデータ相関Asc と Desc の温度が多く違う．各傾き値は 1 より大きい，温度が高いほど，Asc と Desc の差も多くなる．また，図から Asc の温度も Desc より高いと見える．
Asc と Desc の相関値は 1 より大きで，地上データと同じで，衛星のデータも Asc データは Descより高いである．衛星データは温度効果も影響されると考えられる．
JAXA と NASA データの Asc/Dsc 相関を見る，JAXA 方が多くである．昼と夜の一番差額があるのは JAXA のデータと分かる．
表 3: Asc-Desc 偏光輝度温度相関

輝度温度と土壌水分は逆比例の関係がある．土壌水分が高くなる時，輝度温度が減らす．また，補正後の土壌水分は R2 係数が上がった．データが改善されたということである．これは温度効果排除のアルゴリズムの効果も証明できた．



地上土壌水分，土壌温度と同じで，衛星で観測した輝度温度も温度に影響されると分かった．
Asc 輝度温度は Desc 輝度温度より大きいと見えた．そこで，衛星の土壌水分は温度の影響される理由と考えられる．

表 4 効率係数：Nash Sutcliffe

ほとんどの Nash Sutcliffe 効率係数はマイナスになった．これは，AMSR データの精度が非常に低いことを示している．ただし，ほとんどの JAXA データは NASA より 1 に近いと見える，地上観測データに一部あっていると分かった．
補正前後のデータの比較では，Nash Sutcliffe 係数が大きくなって，補正後のデータは改善されたことと分かった．

6. 考察-結論
現在，TDR は，測定精度の最適なスケールに従って土壌水分を測定するための最良の方法です．しかし，最近の技術と電子材料の進歩により，経済的な容量性土壌水分計が開発され，広く使用されている． 経済的な容量性土壌水分計の信頼性は高くはありないが，短期の多点観測や一時的な検証実験には役立つ．
異なる気候条件下の異なるモニタリングステーションで 1 年間の土壌水分データの分析と調整を組み合わせることにより，温度の影響を排除するアルゴリズムがテストされました．このアルゴリズムは，日中の温度変化に関連する不正確さのほとんどを排除する．
この調査では，NASA SM 製品の経時変化と精度を分析および評価し，JAXA SM 製品と比較した．
NASA と JAXA SM の両方，特に NASA SM の精度は低いです． JAXA SM と比較して，NASA SM のダ

イナミックレンジは多くの地域で非常に狭く，年中および年中の土壌水分の変動を反映していない．
JAXA / AMSR，NASA / AMSR データと地上測定データ，温度効果排除後の地上土壌水分を比較すると，これら 2 つのデータソースの精度と効果的使用方向を評価するのに役立つ．
AMSR データは，低温間隔で土壌水分を過小評価することが多いことがわかれる．一方，昼と夜の間で測定されたデータも大きく異なります．その理由は，AMSR が地上からのマイクロ波放射温度測定を使用するためであり，地上観測土壌水分のデータと同様で温度効果の影響も受けると考えられる．
AMSR の温度効果を排除するアルゴリズムを開発するのためには，より大規模で詳細な研究が必要．

7. 参考文献
1. Automated general temperature correction method for dielectric soil moisture sensors. (R.G.C.
Jeewantinie Kapilaratne and Minjiao Lu, 2017).
2. Soil moisture observations in CEOP, GEOSS and earth observation satellite missions (IchirowKaihotsu,ToshioKoike)
3. Evaluation of the AMSR2 L2 soil moisture product of JAXA on the Mongolian Plateau over seven years(2012-2018) (Ichirow Kaihotsu, Jun Asanuma, et al., 2019).